JP6969330B2 - 鉄系粉末混合物及び鉄系焼結部材の製造方法 - Google Patents
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Description
<鉄系粉末混合物>
一実施形態によれば、鉄系粉末混合物は、鉄粉末及び鉄合金粉末からなる群から選択される少なくとも1種を含む主原料粉末と、副原料粉末と、高級脂肪酸のカルシウム塩粉末とを少なくとも含有する。
主原料粉末は、鉄(Fe)粉末及び鉄合金粉末からなる群から選択される少なくとも1種を含む。鉄合金に含まれる元素として、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)、炭素(C)等が挙げられる。
副原料粉末は、鉄粉末、鉄合金粉末、及び高級脂肪酸のカルシウム塩粉末以外の粉末であり、例えば、金属粉末、金属合金粉末、炭素(C)粉末、潤滑剤粉末等が挙げられる。副原料粉末により、焼結体を改質、強化等することが可能である。副原料粉末は、所望とする焼結体の特性に応じ、適宜選択して使用することができる。
高級脂肪酸のカルシウム塩粉末は、焼結体の被削性を向上させることができる。高級脂肪酸のカルシウム塩粉末を含む原料粉末を用いて作製した焼結体を切削工具により切削すると、切削工具の表面にカルシウムを含む付着物が付着し、付着物の存在によって切削工具の寿命が向上すると考えられる。切削工具の表面にカルシウムを含む付着物が形成されていることは、走査型電子顕微鏡(SEM)による表面観察及び電子線マイクロアナライザ(EPMA)による元素分析により確認できる。
鉄系粉末混合物における副原料粉末の含有量は、鉄系焼結部材の用途に応じて設定すればよく、例えば、主原料粉末の全質量を基準として、0.5質量%以上であることが好ましく、より好ましくは1.0質量%以上であり、更に好ましくは1.5質量%以上である。また、鉄系粉末混合物における副原料粉末の含有量は、主原料粉末の全質量を基準として、4.0質量%以下であることが好ましく、より好ましくは3.5質量%以下であり、更に好ましくは3.0質量%以下である。
一実施形態によれば、鉄系焼結部材の製造方法は、上述の鉄系粉末混合物を成形し、成形体を得る成形工程、前記成形体を焼結し、焼結体を得る焼結工程、及び、前記焼結体を切削加工し、鉄系焼結部材を得る切削加工工程、を有する。鉄系焼結部材の製造方法は、脱脂工程、熱処理工程、水蒸気処理工程等の任意の工程を更に有してもよい。
一実施形態によれば、鉄系焼結部材の製造方法は、上述の鉄系粉末混合物を成形し、成形体を得る成形工程、前記成形体を焼結し、焼結体を得る焼結工程、前記焼結体を熱処理し、熱処理体を得る熱処理工程、及び、前記熱処理体を切削加工する切削加工工程、を有する。
一実施形態によれば、鉄系焼結部材の製造方法は、上述の鉄系粉末混合物を成形し、成形体を得る成形工程、前記成形体を焼結し、焼結体を得る焼結工程、前記焼結体を水蒸気処理し、水蒸気処理体を得る水蒸気処理工程、及び、前記水蒸気処理体を切削加工する切削加工工程、を有する。
成形工程では、鉄系粉末混合物を所望の金型に充填し、圧縮成形し、成形体(圧粉体)を得る。成形方法に特に制限はなく、ウイズドロアル法、フローティングダイ法等を適用できる。成形の際に、金型に潤滑剤を塗布し、金型潤滑成形を行ってもよい。また、成形の際に、鉄系粉末混合物及び金型を加熱し、温間成形を行ってもよい。加熱の温度は、例えば100〜140℃である。成形圧力は任意であるが、例えば500〜900MPaである。
焼結工程では、成形体を焼結炉にて所定の雰囲気と温度により焼結する。焼結条件は、鉄系粉末混合物に応じ、適宜設定することができる。焼結温度は、例えば、1,000〜1,400℃である。焼結を十分に進行させるという観点から、焼結温度は1,100以上であることが好ましい。一方、焼結体内にカルシウムを残存させ、切削性向上の十分な効果を得る観点から、焼結温度は、1,300℃以下であることが好ましく、1,200℃以下であることがより好ましい。また、例えば、焼結時間は、5〜150分である。焼結は、通常は、窒素ガス等の非酸化性の雰囲気下で行うことが好ましい。
熱処理工程では、焼結体に熱を加え、用途に応じて焼結体に所望の性質を付与する。熱処理によって、例えば、強さ、硬さ、粘り、耐衝撃性等の性質を向上させることができる。熱処理には、焼入れ、焼き戻し、焼きなまし、焼きならし等がある。例えば、熱処理は、600〜900℃の範囲で加熱した後、放冷などによって冷却するプロセスが採られる。この後に、鉄系材料のオーステナイト領域温度で加熱して焼入れし、更に焼戻ししてもよい。
水蒸気処理工程では、焼結体を水蒸気に曝す。水蒸気は高温であることが好ましく、例えば、370〜580℃である。水蒸気処理の方法として、焼結体に水蒸気を噴射する方法が挙げられる。水蒸気は焼結体の表層部から内部の気孔に浸透し、焼結体の表層部及び鉄基地と気孔の界面部分に酸化鉄(Fe3O4)相が形成される。酸化鉄相により、気孔に丸みを生じさせて切欠き感受性を鈍化させ、疲れ強さを向上させることができる。水蒸気の噴射には、メッシュベルト炉、高気圧が維持できるポット型炉等を利用することができる。酸化鉄相を深い部分まで形成することができる点で、ポット型炉が好ましい。
切削加工工程では、焼結体(熱処理及び水蒸気処理が行われていない焼結体;熱処理体;水蒸気処理体等)を所望の形状に切削加工する。切削加工は、旋削加工、転削加工、又はこれらの両方であってよい。旋削加工としては、旋盤加工等が挙げられ、転削加工としては、フライス加工、穴あけ加工等が挙げられる。切削工具は、単刃工具であっても、又は、多刃工具であってもよい。切削工具の例として、バイト、フライス、エンドミル、ドリル、リーマ等が挙げられる。多数種の加工を行う場合、マシニングセンタを使用してもよい。
鉄系焼結部材の製造方法が有してもよい任意の工程として、粉末を混合する混合工程、有機物等を除去する脱脂工程、焼結体を圧縮する再圧縮工程、焼結体の表面を処理する表面処理工程等が挙げられる。
前記製造方法により得られる鉄系焼結部材は、エンジンの動弁系機構の構成部品であるバブルガイド、バルブシート等;モーターの構成部品であるロータコア等;各種スプロケット等として好ましく使用できる。
[実施例1]
最大粒径180μm以下のアトマイズ鉄粉、最大粒径150μm以下の電解銅粉、平均粒径10μmの天然黒鉛粉末、及び平均粒径20μmのベヘン酸カルシウム粉末を、10kg用V型混合機に投入し、30分間混合し、鉄系粉末混合物を得た。鉄粉を基準とする各粉末の混合割合(質量%)を表1に示す。
ベヘン酸カルシウム粉末を平均粒径13μmのステアリン酸亜鉛粉末に変更した以外は、実施例1と同様に鉄系粉末混合物を調製した。鉄粉を基準とする各粉末の混合割合(質量%)を表1に示す。
[実施例2]
以下の方法に従い、実施例1で得た鉄系粉末混合物を用い、焼結体を作製した。焼結体を切削し、切削工具の摩耗量及び表面状態を確認することによって、焼結体の被削性を評価した。
成形工程
鉄系粉末混合物を、金型に充填し、成形体の密度が6.6g/cm3になるように圧力を調節して、外径50mm、内径30mm、全長20mmの成形体を得た。
成形工程では、成形体を良好な状態で金型から抜出すことができ、成形体には、かじり、欠け等の不良が生じなかった。ベヘン酸カルシウム粉末により十分な潤滑効果が得られた。
成形体を、焼結炉内にて、非酸化雰囲気下(N2+5体積%H2雰囲気下)で、600℃にて15分間の予備加熱を行い、続いて1,130℃にて20分間加熱して、焼結体を得た。
焼結体の端面を、旋盤加工により切削距離が3.8kmとなるまで切削した。旋盤加工は以下の条件に従って実施した。図1は、旋盤加工工程を示す模式図である。図1中、1は切削工具を、4はホルダを、5は焼結体を示し、図1(a)は側面模式図であり、図2(b)は正面模式図である。
切削工具:サーメット製スローアウェイチップ(材質:NX2525、三菱マテリアル株式会社製「TNMG160404」)
切削速度:250m/min
送り :0.10mm/rev
取り代 :0.15mm
1.5km及び3.75kmの切削を行った後の切削工具のすくい面を走査型電子顕微鏡(株式会社島津製作所製「EPMA−1600W」、倍率200倍)により観察したところ、付着物が確認された。図5の左側の写真は、3.75kmの切削を行った後の切削工具のすくい面の一部分の走査型電子顕微鏡写真であり、写真中、矢印により付着物を示す。また、電子線マイクロアナライザ(株式会社島津製作所製「EPMA−1600W」、測定条件:加速電圧15kV、試料電流100nA)により元素分析を行った結果、付着物にはカルシウムが含まれることが確認された。
比較例1で得た鉄系混合粉末を使用した以外は実施例2と同様に、焼結体を作製した。また、切削距離を変更した以外は実施例2と同様に、焼結体の被削性を評価した。図4に、切削距離と逃げ面の摩耗量との関係を示す。走査型電子顕微鏡による観察の結果、1.5kmの切削を行った後の切削工具に付着物は確認できなかった。図5の右側の写真は、1.5kmの切削を行った後の切削工具のすくい面の一部分の走査型電子顕微鏡写真である。
2 すくい面
2a 付着物
3 逃げ面
3a 摩耗部
3b 摩耗部の幅
4 ホルダ
5 焼結体
Claims (7)
- 鉄粉末及び鉄合金粉末からなる群から選択される少なくとも1種を含む主原料粉末と、
副原料粉末と、高級脂肪酸のカルシウム塩粉末とを含有し、前記高級脂肪酸のカルシウム塩粉末が、ベヘン酸カルシウム粉末を含む、鉄系粉末混合物。 - 鉄粉末、鉄粉末の質量に対して1.0〜2.0質量%の銅粉末、鉄粉末の質量に対して0.5〜1.5質量%の黒鉛粉末、鉄粉末の質量に対して0.2〜1.0質量%のベヘン酸カルシウム粉末、及び鉄系粉末混合物の全質量に対して0.1質量%以下の不可避不純物からなる、請求項1に記載の鉄系粉末混合物。
- 前記高級脂肪酸のカルシウム塩粉末の含有量が、前記主原料粉末の全質量に対し、0.
1〜1.2質量%である、請求項1又は2に記載の鉄系粉末混合物。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の鉄系粉末混合物を成形し、成形体を得る成形工程、
前記成形体を焼結し、焼結体を得る焼結工程、及び、
前記焼結体を切削加工する切削加工工程、
を有する鉄系焼結部材の製造方法。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の鉄系粉末混合物を成形し、成形体を得る成形工程、
前記成形体を焼結し、焼結体を得る焼結工程、
前記焼結体を熱処理し、熱処理体を得る熱処理工程、及び、
前記熱処理体を切削加工する切削加工工程、
を有する鉄系焼結部材の製造方法。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の鉄系粉末混合物を成形し、成形体を得る成形工程、
前記成形体を焼結し、焼結体を得る焼結工程、
前記焼結体を水蒸気処理し、水蒸気処理体を得る水蒸気処理工程、及び、
前記水蒸気処理体を切削加工する切削加工工程、
を有する鉄系焼結部材の製造方法。 - 前記切削加工工程において、チタンを少なくとも表面に含む切削工具を用いて切削加工
を行う、請求項4〜6のいずれかに記載の鉄系焼結部材の製造方法。
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